在過去幾年中,對於具有足夠高效率管理大功率系統的市場需求推動SMPS設計師開發出具有低電氣損耗的拓撲。帶PWM相移(phase-shift)控制的全橋(full-bridge)轉換器就是一種很流行的拓撲,它能在大功率時取得很高的效率,並整合了硬開關技術和軟開關技術的優點。

本文的目的是研究金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)元件用作零電壓開關(ZVS)轉換器中的開關時所受到的潛在電氣應力。

零電壓開關相移轉換器被廣泛用於滿足電源應用市場,比如電信電源、主機電腦-伺服器,以及高功率密度和高效率為必需的任何應用。為了達到這個目標,我們必須最大限度地減小功率損失和電抗值,這可以透過提高轉換器的開關頻率來實現。高開關頻率意味著更多的開關損失,這與效率目標背道而馳,採用ZVS或零電流開關(ZCS)轉換器的拓撲是可行的解決方案。這種技術可以保證開關中的電壓或電流在轉換之前為零,特別是ZVS能夠保證開關元件在導通之前,元件上的電壓為零,從而避免開關電流和電壓的同時疊加引起的任何功率損失。

諸如帶線性控制的恆頻工作、在電源電路中整合離散元件、低電磁干擾等好處,與複雜的相位控制器、整流器上的振鈴和過充、輕負載時軟開關的損耗等缺點背道而馳。最近,複雜控制器的問題透過引入整合控制器得到了減輕,而精選的開關也為輕負載條件提供了解決方案。

轉換器中使用的MOSFET的一些電氣特性可以說明系統降低故障風險。本文將介紹風險最有可能發生的操作順序。

ZVS拓撲描述

相移轉換器的基本電路由4個開關組成:每條「腿(leg)」兩個。根據工作模式,一條腿上的開關轉換總是在另一條腿之前發生,第一條腿通常被命名為「前腿」,另一條腿被命名為「後腿」。在圖1中,前腿由開關Q1和Q2組成,後腿由Q3和Q4組成。

20160831TA01P1
圖1 相移ZVS全橋電路。



對功率的控制是通過設置兩個相位之間的轉移時間實現,具體地說,短時間用於提供大功率,長時間用於提供小功率。這種技術允許控制電源相位。

研究圖2所示的訊號順序就很容易理解Q3和Q4位置的元件在另外兩個元件完成轉換之後才改變它們的狀態。換句話說,「前腿」中的元件Q3和Q4從通到斷或從斷到通的轉換要先於元件Q1和Q2完成。基於這樣的開關順序,「前腿」中的元件將處於「後腿」看不見的自由相位狀態。表1總結這個開關順序。

20160831TA01P2
圖2 交換順序。



20160831TA01P2-1
表1 開關順序總結。



這種控制技術可以減少開關損耗,因為整個工作過程是有管理的,只有當元件上的電壓為零時才會發生從斷到通的轉換。圖3顯示了相移ZVS轉換器上的典型波形。

20160831TA01P3
圖3 相移ZVS FB DC/DC轉換器中的典型波形。



正如圖3中強調的那樣,如果重點關注Q4訊號特別是它的電流,須注意它由兩部分組成。在第一部分中,從源極到漏極流經元件的電流被溝道和本體二極體(body diode)共用;在第二部分中,電流只在MOSFET溝道中從漏極流到源極。變壓器上的電壓一旦改變極性,電流就會發生反向。發揮這個順序的優勢,後腿元件Q2在這個相位期間進行開關,當其電壓等於零時開始導通,從而實現ZVS轉換。

必須特別注意Q4元件中的電流。當它的電流反向時,所施加的電壓是低電壓,由於電流由兩部分組成,消除本體二極體中的少數載流子的持續時間(trr)與典型測試相比較短。集中的少數載流子主要連結到重組期間,基於這個理由,通常針對這種拓撲推薦使用具有快速恢復時間的元件。下一節介紹由於這方面的原因可能引起的故障風險。

開關元件的故障風險

正如前文所述,在ZVS轉換期間,MOSFET Q4的內部體二極體參與操作,其導通時間被負載電平所固定。

為了調節發送的功率,兩腿之間的轉移時間是可變的,因此體二極體導通時間將從大功率時的短時間改變到輕負載時的短時間。

20160831TA01P4
圖4 重負載時的典型波形。



如果我們比較這兩種情況可以清楚地發現,在圖5所示的輕負載情況下,重組可用的時間要比圖4所示情況短,甚至可能小於完成整個操作所需的時間。重點觀察可以發現,輕負載條件代表了針對這類風險最重要的工作條件。

20160831TA01P5
圖5 輕負載時的典型波形。



從圖6可以看到,紅色虛線顯示的是不同的恢復時間,並因為使用不適當的元件導致的潛在風險。三條不同的線模擬了三種不同的恢復時間,其中兩條線代表安全的情況,第三條線是可能發生故障的情況;在最後一種情況中,可用時間不足以完全恢復MOSFET中的少數載流子。

20160831TA01P6
圖6 前腿元件中的典型波形。



為了減少由於這種電氣應力造成的故障風險,需要選用具有低trr和Qrr參數的MOSFET元件。

有多種矽技術可以用來解決ZVS拓撲中發生的上述故障模式,而且也有多款MOSFET元件具有快速反向恢復時間和較好的dv/dt耐用性,非常適合較高頻率的ZVS全橋應用。這種選擇通常也被SMPS製造商用來提高他們系統的可靠性。

圖6顯示了位於「前腿」的元件上的電流波形;相同的分析也可以應用於「後腿」元件。至於「前腿」中的元件,「後腿」元件中的導通相位包括它們內部體二極體的恢復操作。

在這種情況下,如果所選的元件與「前腿」相同,那麼就看不出什麼問題(圖7),因為與前一種情況相比,此時有更多的時間用於恢復相位。

20160831TA01P7
圖7 後腿元件上的典型波形。



本文介紹了MOSFET元件用於相移ZVS轉換器時可能產生的潛在風險。透過分析這種特定拓撲的轉換順序,文章著重強調了可能發生故障處的關鍵工作,並且指出拓撲中的位置對電氣應力更加敏感。由於工作順序的原因,將該拓撲分成標記為「前腿」和「後腿」的兩個部分。文章對MOSFET的一些電氣特性進行了研究,並形成了元件選擇依據,元件必須考慮「前腿」要求的trr和Qrr約束條件,正確的選擇可以提高系統的可靠性,降低故障風險,進而獲得堅實耐用的設計。

想知道更多讓電源相關元件的最新技術與應用,敬請參加Tech Taipei 10月6日電源管理與功率元件研討會~ http://site.eettaiwan.com/events/power/index.html